Tài liệu Nghiên cứu giảm suất cắt đường dây 220kv tuyên quang thái nguyên

` MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÉT, HIỆN TƢỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT ...................................................................... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ SÉT ........................................................................................ 3 1.1.1. Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét ............................................... 3 1.1.2. Các tham số chủ yếu của sét ....................................................................... 6 1.1.3. Tình hình dông sét ở Việt Nam ................................................................ 10 1.1.4. Ảnh hƣởng của dông sét đến lƣới điện Việt Nam .................................... 14 1.2. HIỆN TƢỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN [10] .......................................... 15 1.3. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT ....................................................... 15 1.3.1. Lịch sử hình thành và phát triển ............................................................... 15 1.3.2. Tổng quan về chống sét van đƣờng dây trên không ................................ 16 1.3.3. Các vị trí lắp đặt chống sét van. ............................................................... 18 CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN SUẤT CẮT TRÊN ĐƢỜNG DÂY CAO ÁP 220KV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN..................................................................... 19 2.1 GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ......................................................... 19 2.2 CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN .............................................................................. 22 2.3 TÍNH TOÁN SUẤT CẮT ĐƢỜNG DÂY: ........................................................ 23 2.3.1. Suất cắt đƣờng dây do sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn : .. 24 2.3.2. Suất cắt đƣờng dây do sét đánh vào dây chống sét ở khoảng vƣợt: ........ 25 2.3.3. Suất cắt đƣờng dây khi sét đánh vào khu vực đỉnh cột ............................ 36 2.4 TỔNG SUẤT CẮT ĐƢỜNG DÂY 220kV ........................................................ 53 CHƢƠNG 3. CÁC GIẢI PHÁP NHẰM GIẢM SUẤT CẮT ĐƢỜNG DÂY 220kV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN ........................................................ 54 3.1 TỔNG QUÁT ...................................................................................................... 54 3.2 GIẢM XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN DO SÉT ĐÁNH VÕNG ........................... 61 3.2.1 Giảm xác suất phóng điện do sét đánh vòng bằng cách đặt chống sét van61 3.2.2 Tính toán chi phí với việc lắp chống sét van:............................................ 54 3.3 GIẢM XÁC SUẤT PHÓNG ĐIỆN KHI SÉT ĐÁNH VÀO KHOẢNG VƢỢT VÀ SÉT ĐÁNH VÀO ĐỈNH CỘT: ................................................................................. 54 3.3.1 Thay đổi giá trị điện trở cột ....................................................................... 62 ` 3.3.2 Tăng cƣờng cách điện đƣờng dây..............Error! Bookmark not defined. 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .................................................................................... 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 72 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 73 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 74 ` NGHIÊN CỨU GIẢM SUẤT CẮT ĐƢỜNG DÂY 220kV TUYÊN QUANG – THÁI NGUYÊN Học viên : Huỳnh Công Phong Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 60520202 Khóa : K31 Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Luận văn đã đi nghiên cứu ảnh hƣởng của hiện tƣợng dông sét đến độ tin cậy cung cấp điện và đã tính toán suất cắt cho đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên. Trong đó luận văn đã đi tính toán suất cắt của đƣờng dây trong các trƣờng hợp sét đánh vào đỉnh cột, khoảng vƣợt và đánh vòng. Từ kết quả tính toán suất cắt đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên trong cách trƣờng hợp sét đánh và công thức tính toán, luận văn đã đƣa ra các giải pháp nhằm giảm suất cắt đƣờng dây nhằm mang lại lợi ích về kinh tế giữa việc đầu tƣ lắp đặt và thiệt hại giảm đƣợc trong vòng 8 năm. Từ đó đƣa ra giải pháp giảm điện trở cột bằng cách thực hiện nối đất bổ sung vào hệ thống nối đất hiện có và giải pháp chôn thêm 4 cọc vào hệ thống nối đất là mang lại hiệu quả về kinh tế trong thời gian 8 năm. Abstract - The thesis has investigated the effect of thunderstorm on power supply reliability and calculated the cutting power for Tuyen Quang - Thai Nguyen 220kV transmission line. In which the thesis has to calculate the cutting power of the line in the case of lightning at the top of the column, overcoming and rounding. From the calculation results of the Tuyen Quang-Thai Nguyen 220kV transmission line in the case of lightning strike and the calculation formula, the thesis proposes measures to reduce the line cutting rate to bring about economic benefits between Installation investment and damage reduction within 8 years. From there, the solution to reduce the column resistance by doing additional grounding to the existing grounding system and the solution of adding 4 additional piles to the grounding system is economically effective for 8 years. ` DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1. 1.2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. 2.16. 3.1. 3.2. Tên bảng Trang Cƣờng độ hoạt động dông sét tại các khu vực Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực [10] Xác suất hình thành hồ quang Thông số đƣờng cong nguy hiểm khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn pha A Xác suất phóng điện khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn pha A Thông số đƣờng cong nguy hiểm khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn pha C Xác suất phóng điện khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn pha C Thành phần điện của điện áp cảm ứng theo pha A Thành phần điện của điện áp cảm ứng theo pha C Thành phần từ của điện áp cảm ứng tính theo pha A Thành phần từ của điện áp cảm ứng tính theo pha C Thành phần hỗ cảm giữa dây dẫn và khe sét Điện áp trên dây chống sét Các giá trị của Z(t) theo pha A Thông số đƣờng cong nguy hiểm khi sét đánh đỉnh cột Các giá trị của Z(t) theo pha C Thông số đƣờng cong nguy hiểm khi sét đánh đỉnh cột Số lần mất điện giảm khi lắp hệ thống cọc nhân tạo Vốn đầu tƣ và chi phí tiết kiệm khi lắp đặt hệ thống cọc trong 8 năm 11 11 21 33 34 35 36 39 39 42 43 44 48 49 50 52 52 62 63 ` DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 3.1. 3.2. 3.3. Tên hình Trang Phóng điện sét trong tự nhiên Mô phỏng phóng điện sét với U = 50 kV bởi cuộn dây Tesla Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét thời gian [1] Dạng sóng dòng điện sét [10] Xác suất phân bố dòng sét có biên độ bằng và lớn hơn is [10] Đƣờng cong xác suất độ dốc đầu sóng dòng sét [10] Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam Cấu tạo chống sét van đƣờng dây [8] Cấu trúc cột điện Sét đánh vào khoảng vƣợt Đƣờng cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn pha A Đƣờng cong thông số nguy hiểm khi sét đánh vòng qua dây chống sét vào dây dẫn pha C Sét đánh vào đỉnh cột có treo dây chống sét Đƣờng cong thông số nguy hiểm khi sét đánh đỉnh cột theo pha A Đƣờng cong thông số nguy hiểm khi sét đánh đỉnh cột theo pha C Mặt bằng hệ thống tiếp địa Đồ thị biểu diễn số lần mất điện khi lắp đặt hệ thống cọc Đồ thị biểu diễn vốn đầu tƣ và chi phí tiết kiệm khi lắp đặt hệ thống cọc 3 3 4 6 8 9 13 17 20 26 33 35 37 50 53 55 63 63 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất nƣớc đang bƣớc vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa và ngành điện luôn giữ một vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế quốc dân. Trong cuộc sống, điện năng rất cần cho phục vụ sản xuất và sinh hoạt. Cùng với sự phát triển của xã hội đòi hỏi việc cung cấp điện phải đảm bảo liên tục, có chất lƣợng tốt và độ tin cậy cao. Xuất phát từ thực tế đó, việc đảm bảo cho các trạm biến áp và đƣờng dây làm việc an toàn, không gặp sự cố, không gây gián đoạn cung cấp điện là đặc biệt quan trọng. Và sét là nguyên nhân chủ yếu gây ra các sự cố trên đƣờng dây, làm ngừng hoạt động hay hƣ hỏng các phần tử của hệ thống. Trạm biến áp thƣờng đƣợc bảo vệ chống sóng quá điện áp, chống sét đánh trực tiếp do vậy sự cố sét đánh trực tiếp hay do sóng truyền vào trạm biến áp thƣờng rất nhỏ. Tuy nhiên các đƣờng dây tải điện là phần tử có chiều dài lớn nhất trong hệ thống lại đi qua nhiều địa hình phức tạp khác nhau. Cụ thể là địa hình tuyến đƣờng dây 220 kV Tuyên Quang – Thái Nguyên rất phức tạp, chủ yếu là rừng núi có nhiều sƣờn dốc và vực sâu xen kẽ, gần nhƣ toàn tuyến cắt qua rừng già hoặc rừng tái sinh, độ dốc địa hình tuyến cắt qua lớn từ 6o – 40o. Chính vì thế nên đƣờng dây thƣờng bị sét đánh và chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển. Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đƣờng dây hoặc sét đánh xuống mặt đất gần đó và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đƣờng dây. Có thể thấy trƣờng hợp đầu nguy hiểm hơn trƣờng hợp sau rất nhiều vì đƣờng dây phải chịu toàn bộ năng lƣợng của phóng điện sét. Do đƣờng dây cao áp có mức cách điện khá lớn nên số lần phóng điện do sét cảm ứng nhỏ, và vì thế khi tính toán ngƣời ta thƣờng bỏ qua. Điều này dẫn đến việc kết quả tính toán bị sai lệch, thông số đƣa ra không chính xác. Đƣợc lắp đặt và đƣa vào vận hành 4/2017 thống kê số lần mất điện khá lớn, bình quân lên đến 5,5 lần/100km/năm (cao nhất 6,73 lần/100km/năm) cao hơn so với suất cắt cho phép khoảng 4,5 lần/100km/năm. Trong đó số lần mất điện do sét gây ra chiếm khoảng 70% số lần mất điện, gây sự cố gián đoạn đến độ tin cậy cung cấp điện. Do đó trên cơ sở thu thập đƣợc số liệu đƣờng dây từ Tƣ vấn điện 4, để đạt đƣợc chỉ tiêu của Tập đoàn đƣa ra, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện rất quan trọng. Vì vậy tên đề tài của em là “Nghiên cứu giảm suất cắt đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu hiện tƣợng quá điện áp khí quyển. Nghiên cứu sử dụng hiệu quả chống sét van. Giảm số vụ sự cố do sét gây ra nhằm đảm bảo đƣờng dây vận hành an toàn, cung cấp điện liên tục. 2 3. Đối tƣợng và Phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên 3.2. Phạm vi nghiên cứu 1. Nghiên cứu hiện tƣợng quá điện áp khí quyển. 2. Tính toán suất cắt điện đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên. 3. Nghiên cứu các giải pháp giảm suất cắt điện đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Trên cơ sở lý thuyết mô hình điện hình học, phạm vi bảo vệ của dây chống sét, hiện tƣợng quá điện áp khí quyển và số liệu thực tế để tính toán, phân tích các giải pháp đƣợc nêu ra. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học 1. Tinh toán suất cắt điện của một đƣờng dây,ở đây là đƣờng dây cao áp 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên, đƣa ra các giải pháp giảm suất cắt phù hợp cho 1 đƣờng dây trong thực tế. 2. So sánh các giải pháp bảo vệ chống sét để giảm suất cắt trên đƣờng dây cao áp. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Đề xuất các giải pháp bảo vệ chống sét tốt nhất để đảm bảo yêu cầu kinh tế - kỹ thuật nhầm nâng cao hiệu quả kinh tế. 6. Bố cục đề tài Luận văn gồm 3 chƣơng Chƣơng 1. Tổng quan về sét, hiện tƣợng quá điện áp và giới thiệu về thiết bị chống sét. Chƣơng 2. Tính toán suất cắt trên đƣờng dây cao áp 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên. Chƣơng 3. Các giải pháp nhằm giảm suất cắt đƣờng dây 220kV Tuyên Quang – Thái Nguyên. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÉT, HIỆN TƢỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP VÀ GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 1.1. TỔNG QUAN VỀ SÉT 1.1.1. Các giai đoạn phát triển của phóng điện sét Hình 1.1. Phóng điện sét trong tự nhiên Sét thực chất là một dạng phóng điện tia lửa trong không khí với khoảng cách rất lớn. Quá trình phóng điện của sét tƣơng tự nhƣ quá trình phóng điện tia lửa trong điện trƣờng rất không đồng nhất với khoảng cách phóng điện lớn. Chính sự tƣơng tự đó đã cho phép mô phỏng sét trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu những quy luật của nó và nghiên cứu những biện pháp bảo vệ chống sét. Hình 1.2. Mô phỏng phóng điện sét với U = 50 kV bởi cuộn dây Tesla Ban đầu xuất phát từ mây dông một dải sáng mờ kéo dài từng đợt gián đoạn về phía mặt đất với tốc độ trung bình khoảng 105 ÷ 106 m/s . Đây là giai đoạn phóng điện tiên đạo từng đợt đƣợc gọi là tiên đạo bậc. Kênh tiên đạo là một dòng plasma mật độ điện tích không cao lắm, khoảng 1013 ÷ 1014 ion/m3. Một phần điện tích âm của mây dông tràn vào kênh và phân bố tƣơng đối đều dọc theo chiều dài của nó (Hình 1.3a). 4 Hình 1.3a Hình 1.3b Hình 1.3c Hình 1.3d Hình 1.3. Các giai đoạn phóng điện sét và biến thiên của dòng điện sét theo thời gian [1] Hình 1.3a) Giai đoạn phóng điện tiên đạo Hình 1.3b) Tia tiên đạo đến gần mặt đất hình thành khu vực ion hóa mãnh liệt Hình 1.3c) Giai đoạn phóng điện ngược hay phóng điện chủ yếu Hình 1.3d) Phóng điện chủ yếu kết thúc, dòng sét đạt giá trị cực đại Thời gian phát triển của kênh tiên đạo mỗi đợt kéo dài trung bình khoảng 1s, tƣơng ứng tia tiên đạo dài thêm trung bình đƣợc khoảng vài chục mét đến bốn năm chục mét. Thời gian tạm ngƣng phát triển giữa hai đợt liên tiếp khoảng 30  90 s. Điện tích âm tổng từ mây tràn vào kênh tiên đạo bằng Q = .L (với là mật độ điện tích và L là chiều dài kênh). Điện tích này thƣờng chiếm khoảng 10% lƣợng điện tích chạy vào đất trong một lần phóng điện sét. Dƣới tác dụng của điện trƣờng tạo nên bởi điện tích của các đám mây dông và điện tích trong kênh tiên đạo, sẽ có sự tập trung điện tích trái dấu (thƣờng là điện tích dƣơng) trên vùng mặt đất phía dƣới đám mây dông. Nếu vùng đất phía dƣới bằng phẳng và có điện dẫn đồng nhất thì nơi điện tích cảm ứng tập trung sẽ nằm trực tiếp dƣới kênh tiên đạo. Nếu vùng đất phía dƣới có điện dẫn khác nhau thì điện tích sẽ tập trung chủ yếu ở vùng kế cận, nơi có điện dẫn cao và nơi đó sẽ là nơi đổ bộ của sét. Cƣờng độ điện trƣờng ở đầu kênh tiên đạo trong phần lớn giai đoạn phát triển của nó (trong mây dông), đƣợc xác định bởi điện tích bản thân của kênh và của điện tích tích tụ ở đám mây. Đƣờng đi của kênh tiên đạo này không phụ thuộc vào tình trạng của mặt đất và các vật thể ở mặt đất. Chỉ khi kênh tiên đạo còn cách mặt đất một độ cao nào đó thì mới thấy rõ dần ảnh hƣởng của tập trung điện tích ở mặt đất và ở các vật thể dẫn điện nhô khỏi mặt đất đối với hƣớng phát triển tiếp tục của kênh. Kênh sẽ phát triển theo hƣớng có cƣờng độ điện trƣờng lớn nhất. Nhƣ vậy, vị trí đổ bộ của sét mang tính chọn lọc. Nên trong kỹ thuật ngƣời ta lợi dụng tính chọn lọc này để bảo vệ chống sét đánh 5 thẳng cho các công trình bằng cách dùng các thanh hoặc dây thu sét bằng kim loại đƣợc nối đất tốt, đặt cao hơn công trình cần bảo vệ để hƣớng sét phóng vào đó, hạn chế khả năng sét đánh vào công trình. Ở những nơi vật dẫn có độ cao (nhà chọc trời, cột ăng ten) thì từ đỉnh của nó nơi điện tích trái dấu tập trung nhiều cũng sẽ đồng thời xuất hiện ion hóa tạo nên dòng tiên đạo phát triển hƣớng lên đám mây dông. Chiều dài của kênh tiên đạo từ dƣới lên mây tăng theo độ cao của vật dẫn và tạo điều kiện dễ dàng cho sự định hƣớng của sét đánh vào vật dẫn đó. Khi kênh tiên đạo xuất phát từ mây dông tiếp cận mặt đất hay tiếp cận kênh tiên đạo ngƣợc chiều thì bắt đầu giai đoạn phóng điện ngƣợc lại hay phóng điện chủ yếu, tƣơng tự nhƣ các quá trình phóng điện ngƣợc trong chất khí ở điện trƣờng không đồng nhất (Hình 1.3b). Trong khoảng cách khí còn lại giữa đầu kênh tiên đạo và mặt đất cƣờng độ điện trƣờng tăng cao gây nên ion hóa mãnh liệt dẫn đến sự hình thành một dòng plasma mật độ điện tích 1016  1019 ion/m3 cao hơn nhiều so với mật độ điện tích của tia tiên đạo, điện dẫn của nó tăng lên hàng trăm lần, điện tích cảm ứng từ mặt đất tràn ngƣợc và thực tế đầu dòng mang điện thế của đất làm cho cƣờng độ trƣờng đầu dòng tăng lên gây ion hóa mãnh liệt và cứ nhƣ vậy dòng plasma điện dẫn cao tiếp tục phát triển ngƣợc lên trên theo đƣờng chọn sẵn của kênh tiên đạo. Tốc độ phát triển của kênh phóng ngƣợc rất cao vào khoảng 1,5x1017  1,5x108 m/s (bằng 0,05 vận tốc ánh sáng) tức là nhanh gấp trên trăm lần tốc độ phát triển của tiên đạo hƣớng xuống. Vì mật độ điện tích cao đốt nóng mãnh liệt nên tia phóng điện chủ yếu sáng chói (gọi là chớp) và sự giản nỡ đột ngột của không khí bao quanh phóng điện chủ yếu tạo nên những đợt sóng âm mãnh liệt gây nên những tiếng nổ chát chúa (gọi là sấm). Đặc điểm quan trọng nhất của phóng điện chủ yếu là cƣờng độ dòng điện lớn. Nếu v là tốc độ của phóng điên và  là mật độ điện tích thì dòng sét sẽ đạt giá trị cao nhất khi kênh phóng điện chủ yếu lên đến đám mây dông và bằng: is = .(Hình 1.3c). Khi kênh phóng điện chủ yếu lên tới đám mây thì số điện tích còn lại của mây sẽ theo kênh phóng điện chạy xuống đất và cũng tạo nên ở chỗ sét đánh một dòng điện có trị số nhất định giảm nhanh tƣơng ứng với phần đuôi sóng (Hình 1.3d). Kết quả quan trắc sét cho thấy rằng, một cơn sét thƣờng gồm nhiều lần phóng điện kế tiếp nhau, trung bình là ba lần, nhiều nhất có thể đến vài ba chục lần. Thời gian giữa các lần phóng điện kế tiếp nhau trung bình khoảng 30  50 ms, nhƣng có thể kéo dài đến 0,1s nếu có dòng không đổi trong giai đoạn kết thúc. Các lần phóng điện sau có dòng tiên đạo phát triển liên tục (không phải từng đợt nhƣ lần đầu), không phân nhánh và theo đúng quĩ đạo của lần đầu nhƣng với tốc độ cao hơn 2x106 m/s, thƣờng gọi là tiên đạo hình kim cũng còn có tên gọi là tiên đạo hình mũi tên. Mỗi lần phóng điện tạo nên một xung dòng sét. Các xung sét sau thƣờng có biên độ bé hơn, nhƣng độ dốc đầu sóng cao hơn nhiều so với xung đầu tiên. Một cơn sét có thể kéo dài đến 1,33s. 6 Sự phóng điện nhiều lần của sét đƣợc giải thích nhƣ sau: đám mây dông có thể có nhiều trung tâm điện tích khác nhau hình thành do các dòng không khí xoáy trong mây. Lần phóng điện đầu tiên dĩ nhiên sẽ xảy ra giữa đất và trung tâm điện tích có cƣờng độ điện trƣờng cao nhất. Trong giai đoạn phóng điện tiên đạo thì hiệu thế của trung tâm điện tích này với các trung tâm điện tích khác kế cận thực tế không thay đổi đáng kể và ít có ảnh hƣởng qua lại giữa chúng. Nhƣng khi kênh phóng điện chủ yếu đã lên đến mây thì trung tâm điện tích đầu tiên của đám mây thực tế mang điện thế của đất làm cho hiệu thế giữa trung tâm điện tích đã phóng với các trung tâm điện tích lân cận tăng lên và có thể dẫn đến phóng điện giữa chúng với nhau. Quá trình này xảy ra rất nhanh. Trong khi đó thì kênh phóng điện cũ vẫn còn một điện dẫn nhất định do sự khử ion chƣa hoàn toàn, nên phóng điện tiên đạo lần sau theo đúng quĩ đạo đó, liên tục và với tốc độ cao hơn lần đầu. Phóng điện sét cũng có thể xảy ra giữa các đám mây mang điện tích khác nhau hoặc giữa các trung tâm điện tích của một đám mây lƣỡng cực, tuy nhiên quá điện áp trong hệ thống điện, hỏa hoạn hoặc hƣ hỏng các công trình trên mặt đất chỉ xảy ra khi có phóng điện sét về phía mặt đất. Vì vậy, ở đây chỉ xét đến sét giữa mây dông và mặt đất cùng tác hại của nó đối với hệ thống điện. Sét mây - đất cũng có thể xảy ra với tiên đạo mang điện tích dƣơng xuất phát từ phần mang điện tích dƣơng của đám mây, nhƣng rất hiếm thấy. Loại sét dƣơng này chỉ có một xung duy nhất, có biên độ dòng và tổng điện tích rất lớn, thời gian sóng kéo dài. Tác dụng phá hoại của nó rất lớn, đặc biệt là hiệu ứng nhiệt của nó. 1.1.2. Các tham số chủ yếu của sét Hình 1.4. Dạng sóng dòng điện sét [10] Dòng điện sét nhƣ Hình 1.4, có dạng một sóng xung. Trung bình trong khoảng vài ba micro giây, dòng điện tăng nhanh đến trị số cực đại tạo nên phần đầu sóng và sau đó giảm xuống chầm chậm trong khoảng 20  100 s, tạo nên phần đuôi sóng. 7 Sự lan truyền sóng điện từ tạo nên bởi dòng điện sét gây nên quá điện áp trong hệ thống điện, do đó cần phải biết những tham số chủ yếu của nó. - Biên độ dòng điện sét là giá trị lớn nhất của dòng điện sét. Biên độ dòng sét không vƣợt quá 200  300 kA. - Độ dốc đầu sóng dòng điện sét hoặc thời gian đầu sóng đs là thời gian mà dòng sét tăng từ 0 đến giá trị cực đại trong khoảng từ 1  100 s với tia tiên đạo đầu tiên và (550) s với các tia sét lặp lại. - Độ dài sóng dòng điện sét s là thời gian từ đầu dòng sét cho đến khi dòng sét giảm còn bằng 1/2 biên độ trong khoảng từ 20  350 s với các tia sét đầu tiên và 550 s với các tia sét lặp lại. - Tốc độ tăng dòng di/dt có thể đạt tới 70 kA/s đối với tia sét đầu tiên và vƣợt quá 200 kA/s với các tia sét tiếp theo. - Cực tính dòng điện sét. Ngoài ra, phải biết cƣờng độ hoạt động trung bình của sét tức là số ngày có dông sét trung bình hoặc tổng số giờ có dông sét trung bình trong một năm ở mỗi khu vực lãnh thổ và mật độ trung bình của sét trong khu vực đó, tức là số lần sét đánh vào một đơn vị diện tích mặt đất (1km2) trong một ngày sét. a. Biên độ dòng sét và sự xuất hiện của nó Dòng điện sét có trị số lớn nhất vào lúc kênh phóng điện chủ yếu lên đến trung tâm điện tích của đám mây dông. Nếu nơi bị sét đánh có nối đất tốt, điện trở nối đất không đáng kể, thì trị số lớn nhất của dòng điện sét, nhƣ đã trình bày ở trên, bằng dòng điện is = σ.υ. Nhƣng nếu điện trở nối đất của vật bị sét đánh có một trị số R nào đó thì dòng z điện sét qua vật đó sẽ giảm theo quan hệ is   .. 0 với z0 là tổng trở sóng z0  R của khe sét, có trị số trong khoảng 200 ÷ 500 Ω. Nhƣ vậy, nếu điện trở nối đất R thay đổi từ 0 ÷ 30Ω thì dòng điện qua vật bị sét đánh chỉ giảm khoảng 10%. Điện trở nối đất của cột và dây thu sét trong hệ thống điện thƣờng ít khi quá 20 ÷ 30Ω, nên trong tính toán có thể lấy gần đúng trị số cực đại của dòng điện sét is = σ.υ. Kết quả đo đạt trong nhiều năm ở nhiều nơi cho thấy biên độ dòng điện sét biến thiên trong phạm vi rất rộng, từ vài kA đến vài trăm kA, nhƣng phần lớn thƣờng dƣới 50kVA và rất hiếm khi vƣợt quá 100kA. Trong tính toán chống sét có thể dùng quy luật phân bố xác suất biên độ chống sét gần đúng sau, cho vùng đồng bằng: i  e-i /26  10-i /60 s s s tức ln is  is i hay lgis  s 26 60 8 với is là xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ bằng hoặc lớn hơn is. Ở những vùng đồi núi, biên độ dòng điện sét thƣờng bé hơn so với những vùng đồng bằng khoảng vài lần, do khoảng cách từ đất đến các đám mây dông ngắn hơn nên phóng điện sét đã có thể xảy ra, ngay khi mật độ điện tích của các đám mây còn bé hơn. Nói một cách khác, ở đây xác suất xuất hiện dòng điện sét có biên độ lớn thấp hơn. i  10  is 30 s hay lgis  is 30 Hình 1.5. Xác suất phân bố dòng sét có biên độ bằng và lớn hơn is [10] b. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét và xác suất xuất hiện của nó Để đo độ dốc dòng điện sét, ngƣời ta thƣờng dùng một khung bằng dây dẫn treo cạnh cột thu sét. Các đầu dây của khung nối vào một hoa điện kế để đo biện độ của điện áp. Độ dốc đầu sóng dòng điện sét cũng thay đổi trong một phạm vi rộng và cũng đƣợc cho dƣới dạng đƣờng cong xác suất. Thƣờng dùng đƣờng cong thực nghiệm sau. Cho vùng đồng bằng: a a a  e15,7  10 36 ln a  a a ; lga  15,7 36 Hay Trong đó υa là xác suất xuất hiện dòng điện sét có độ dốc đầu sóng dòng điện bằng và lớn hơn a. Ở những vùng núi cao, xác suất xuất hiện dòng điện sét có cùng độ dốc đầu sóng thƣờng thấp hơn và có thể xác định theo: 9 a  10 a 18 e a 7,82 Kết quả đo đạc cho thấy phần lớn sóng dòng điện sét có thời gian đầu sóng từ τđs = 1 ÷ 10 µs thƣờng gặp là từ 1 ÷ 4µs và độ dài sóng trong khoảng τs = 20 ÷ 100 µs. Trong tính toán thiết kế thƣờng lấy thời gian đầu sóng τđs = 1,2 µs và độ dài sóng trung bình là 50 µs tƣơng ứng với dạng sóng chuẩn. Hình 1.6. Đường cong xác suất độ dốc đầu sóng dòng sét [10] c. Cƣờng độ hoạt động của sét – mật độ sét Cƣờng độ hoạt động của sét đƣợc biểu thị bằng số ngày trung bình có dòng điện sét hàng năm hoặc tổng số giờ trung bình có dông sét hằng năm. Cƣờng độ hoạt động của sét rất khác nhau ở các vùng khí hậu khác nhau. Khuynh hƣớng chung là cƣờng độ hoạt động của sét tăng dàn từ các miền địa cực đến miền nhiệt đới xích đạo, nơi có độ ẩm không khí và nhiệt độ cao hơn, tạo điều kiện để dễ dàng cho sự hình thành mây dông. Theo số liệu thống kê của nhiều nƣớc, số ngày sét hàng năm ở các vùng nam, bắc cực vào khoảng 2 ÷ 3, vùng ôn đới khoảng 30 ÷ 50, vùng nhiệt đới khoảng 75 ÷ 100 và vùng xích đạo khoảng 100 ÷ 150. Tuy nhiên khuynh hƣớng trên cũng không phải là tuyệt đối. Thực tế ngay trong cùng một miền khí hậu, cƣờng độ hoạt động của sét cũng có thể khác nhau nhiều, do các điều kiện khí tƣợng thuỷ văn địa chất của từng khu vực tiểu khí hậu thay đổi phức tạp. Trên toàn bộ bề mặt quả đất trong mỗi giây xảy ra khoảng 100 lần phóng điện sét, tức mỗi ngày có khoảng 8 ÷ 9 triệu lần sét đánh xuống mặt đất. Mật độ của sét là số lần sét đánh trung bình trên một đơn vị diện tích mặt đất 2 (1km ) trong một ngày sét hoặc trong một giờ sét. Số liệu này cũng thay đổi theo vùng lãnh thổ. 10 d. Cực tính của sét Số liệu quan trắc sét ở nhiều nƣớc trong nhiều năm cho thấy, sóng dòng điện sét mang cực tính âm xuất hiện thƣờng xuyên hơn và chiếm khoảng 80 ÷ 90% toàn bộ số lần phóng điện sét. 1.1.3. Tình hình dông sét ở Việt Nam Việt Nam là một nƣớc thuộc vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, mƣa nhiều, cƣờng độ hoạt động của dông sét rất mạnh. Thực tế sét đã gây nhiều tác hại đến đời sống con ngƣời, gây hƣ hỏng công trình, thiết bị và là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố trong vận hành hệ thống điện. a. Đặc điểm và phân hóa mùa của dông: Dông có khả năng xuất hiện hầu nhƣ quanh năm ở các vùng, tuy nhiên thời kỳ tập trung nhất là mùa mƣa hay còn gọi là mùa dông. Từ kết quả thống kê của hơn 100 trạm nghiên cứu sét, ta có nhận xét sau: - Phía Tây Bắc, mùa đông đến sớm hơn, cực đại hằng năm cũng xảy ra sớm hơn. Tháng 3 dông phát triển khá mạnh, số ngày dông cực đại thƣờng vào tháng 4 còn những tháng ít dông là tháng 1, 6, 7. - Vùng ven biển Trung Bộ, biến trình năm của dông có đến 2 cực đại. Cực đại chính là tháng 7-9, cực đại còn lại là tháng 5. Các tháng 6, 7 có số ngày dông giảm đáng kể. - Khu vực Tây Nguyên, biến trình năm của dông cũng có đến 2 cực đại. Cực đại chính tập trung vào tháng 5, cực đại còn lại là tháng 9. Tháng 6-8 có số ngày dông giảm đi một nửa so với tháng 5 và tháng 9. - Phía Nam Bộ, biến trình của dông cũng tƣơng tự nhƣ khu vực Tây Nguyên khi cực đại chính tập trung vào tháng 5 và cực đại còn lại là tháng 9. Tuy nhiên sau tháng 9 thì dông vẫn còn phát triển mạnh và mãi đến tháng 12 trị số này mới giảm. b. Phân vùng mật độ sét Việt Nam: Từ các nguồn số liệu khác nhau về ngày dông, giờ dông, số lần sét đánh xuống các khu vực, ngày giờ xuất hiện và kết thúc dông hằng năm, qua xử lý, tính toán đã phân ra đƣợc năm vùng đặc trƣng về cƣờng độ hoạt động dông sét trên toàn quốc nhƣ sau: - Khu vực đồng bằng ven biển miền Bắc. - Khu vực miền núi trung du miền Bắc. - Khu vực miền núi trung du miền Trung. - Khu vực ven biển miền Trung. - Khu vực đồng bằng miền Nam. 11 Bảng 1.1. Cƣờng độ hoạt động dông sét tại các khu vực Ngày dông sét Giờ dông sét Mật độ sét trung bình Tháng dông Khu vực trung bình trung bình nngs sét cực đại (giờ/năm) (lần/km2.năm) (ngày/năm) Đồng bằng 51,1 219,1 6,47 8 ven biển miền Bắc Miền núi 215,6 6,33 7 trung du 61,6 miền Bắc Miền núi 95,2 3,31 5, 8 trung du 47,6 miền Trung 89,32 3,55 5, 8 Ven biển 44,0 miền Trung 126,21 5,37 5, 9 Đồng bằng 60,1 miền Nam Xuất phát từ các số liệu về ngày giờ dông trong năm đối với năm khu vực lãnh thổ Việt Nam, có thể tính toán đƣa ra các giá trị dự kiến về mật độ phóng điện xuống đất cho các khu vực nhƣ sau: Bảng 1.2. Trị số dự kiến mật độ sét theo khu vực [10] Số ngày Đồng bằng Miền núi Miền núi Ven biển Đồng bằng dông ven biển trung du trung du miền Trung miền Nam miền Bắc miền Bắc miền Trung 20 – 40 2,43 – 4,86 2,1 – 4,2 1,2 – 2,4 1,22 – 2,44 1,26 – 2,52 40 – 60 4,86 – 7,29 4,2 – 6,3 2,4 – 3,6 2,44 – 3,65 2,52 – 3,78 60 – 80 7,29 – 9,72 6,3 – 8,4 3,6 – 4,8 3,65 – 4,87 3,78 – 5,04 80 – 100 9,72 – 12,16 8,4 – 10,5 4,8 – 6,0 4,87 – 6,09 5,04 – 6,3 100 - 120 12,16 – 14,58 10,5 – 12,6 6,0 – 7,2 6,09 – 7,31 6,3 – 7,56 Nhận xét: Khu vực đồng bằng ven biển miền Bắc: cƣờng độ hoạt dộng dông sét mạnh nhất. Những tháng có nhiều dông sét từ tháng 5 đến tháng 9, cực đại là tháng 8. Trung bình một ngày sét kéo dài 4,05 giờ. 12 Khu vực miền núi trung du miền Bắc: là khu vực có cƣờng độ hoạt động dông sét mạnh, những tháng có nhiều dông sét từ tháng 3 đến tháng 9, mạnh nhất là các tháng 5, 6, 7, 8 và cực đại là tháng 7. Khu vực này có thời gian mùa sét dài nhất. Trung bình một ngày sét dài 3,5 giờ. Khu vực miền núi trung du miền Trung: là khu vực ít sét hơn, biến trình hoạt động dông sét thất thƣờng, mùa sét thƣờng kéo dài từ tháng 2 đến tháng 9, mạnh nhất vào tháng 5, sau đó giảm dần rồi lại tăng mạnh dần vào tháng 8, tháng 9. Giờ dông trung bình trong ngày dông của khu vực này là 2 giờ. Khu vực ven biển miền Trung: là khu vực có đặc điểm hoạt dộng dông sét gần giống nhƣ khu vực cao nguyên miền Trung. Tuy nhiên mức độ hoạt động dông sét tăng dần vào cuối mùa sét. Giờ dông trung bình trong ngày dông của khu vực này là 2,03 giờ. Khu vực đồng bằng miền Nam: là khu vực có số ngày dông lớn. Tuy nhiên giờ dông trong ngày dông thƣờng ngắn hơn. Thời gian giờ dông kéo dài trung bình là 2,1 giờ. 13 Hình 1.7. Bản đồ mật độ sét trung bình năm của Việt Nam (tham khảo: Viện Vật Lý Địa Cầu). 14 1.1.4. Ảnh hƣởng của dông sét đến lƣới điện Việt Nam Một trong những nỗi lo lớn nhất của lĩnh vực truyền tải điện là lƣới điện bị sét đánh. Đây là sự cố do thiên nhiên, nằm ngoài tầm kiểm soát của con ngƣời nên việc ngăn ngừa không đơn giản. Theo kết quả thông kế về tình hình sự cố trên lƣới điện miền Bắc từ năm 20002012 của Công ty Truyền tải điện 1(PTC1) cho thấy, tần suất sự cố do sét ngày càng tăng, cƣờng độ dòng sét ngày mạnh theo quy mô phát triển của lƣới điện. Các sự cố tập trung chủ yếu ở phía vùng đồi núi Tây Bắc, Thái Nguyên và Đông Bắc. Cụ thể, giai đoạn 2006-2012, đƣờng dây mua điện Trung Quốc mạch 1 xảy ra 56 sự cố thì có tới 53 vụ do sét đánh. Đƣờng dây mua điện Trung Quốc mạch 2 có tới 120/132 sự cố do sét. Đƣờng dây Tràng Bạch - Hoành Bồ cũng có 35 vụ sự cố do sét. Đƣờng dây Uông Bí Tràng Bạch có 14/15 lần vụ sự cố do sét. Hậu quả là phải ngừng cung cấp điện, ảnh hƣởng không nhỏ đến sản xuất - kinh doanh của các doanh nghiệp. Đặc biệt, trong năm 2012 và những tháng đầu năm 2013, tình hình sự cố trên lƣới do sét có chiều hƣớng tăng so với năm 2011. Riêng năm 2012, có 85/101 vụ sự cố đƣờng dây do sét(chiếm 84,1%); 8/25 sự cố trạm biến áp do sét đánh(chiếm 32%). Đƣờng dây 500kV Sơn La - Hiệp Hòa đƣa vào vận hành chƣa đƣợc bao lâu cũng đã xảy ra 10/12 vụ sự cố do sét đánh. Những năm qua, PTC1 đã triển khai hàng loạt giải pháp nhằm giảm thiểu sự cố do sét. Điển hình nhất là giải pháp cải tạo hệ thống nối đất. Tuy nhiên, hạn chế của giải pháp này là: ở một số vị trí có hiện tƣợng các sợi nối đất quấn quanh trụ móng, đế móng; độ chôn sâu sợi nối đất chƣa đạt yêu cầu, hƣớng đi sợi tiếp địa đi sát nhau, không đúng thiết kế, đè lên nhau dẫn đến phóng điện ngƣợc và hiệu quả tản sét kém. Một số sợi có trị số điện trở nối đất cao, hoặc thấp bất thƣờng; một số vị trí cột nằm ở khu vực có phèn chua, hóa chất, độ ăn mòn cao nên bị đứt hoặc bào mòn theo thời gian; một số vị trí cột cao hơn 40m chƣa đáp ứng trị số điện trở theo quy phạm. Để khắc phục tình trạng này, các đơn vị đã giảm điện trở xuống một cấp ở những vùng điện trở suất cao. Tùy điện trở suất đất ở từng vùng để thiết kế bổ sung sợi nối đất dài từ 20-80m. Những vùng có điện trở suất cao thì đóng thêm cọc, bổ sung than bùn, bổ sung đất có điện trở suất thấp nhỏ hơn 100m hoặc hóa chất giảm điện trở… Ngoài ra, năm 2011-2012, các đơn vị của PTC1 đã lắp bổ sung trên 4.000 bát cách điện cho các đƣờng dây bị sét đánh nhiều ở các khu vực truyền tải điện Quảng Ninh, Thái Nguyên, Tây Bắc. Đặc biệt, phƣơng pháp hiệu quả nhất vẫn là giải pháp lắp chống sét van. Tuy nhiên, do khó khăn về kinh phí nên việc lắp chống sét van mới áp dụng thử nghiệm trên 3 tuyến đƣờng dây. Hiện PCT1 đang đề nghị tính toán lại một số thông số nhƣ thiết kế tiếp địa của đƣờng dây, khoảng cách khe hở phóng điện của chuỗi sứ cách điện ở đƣờng dây 500 kV Sơn La – Hiệp Hòa để có phƣơng án giảm thiểu sự cố. Xem xét qui định nghiệm thu các 15 mối nối, khóa ép đƣờng dây 220kV, 500kV. Ngoài ra, PTC1 đã lắp thử nghiệm chống sét van trên ba tuyến: - Đƣờng dây mua bán điện Trung Quốc mạch 1 qua Lào Cai lắp đặt 45 bộ chống sét van, mạch 2 qua Hà Giang lắp đặt 146 bộ chống sét van. - Đƣờng dây Uông Bí – Tràng Bạch lắp 57 bộ chống sét van. - Đƣờng dây Tuyên Quang – Bắc Kạn – Thái Nguyên lắp trên 15 vị trí cột. Kết quả cho thấy tại những vị trí đã lắp chống sét van thì chƣa có vị trí nào xảy ra sự cố mặc dù số lần nhảy của chống sét van ghi lại đƣợc rất nhiều. 1.2. HIỆN TƢỢNG QUÁ ĐIỆN ÁP KHÍ QUYỂN [10] Đƣờng dây là phần tử dài nhất trong hệ thống điện, đi qua nhiều địa hình phức tạp nên thƣờng bị sét đánh gây nên quá điện áp gọi là quá điện áp khí quyển. Quá điện áp khí quyển có thể do sét đánh thẳng lên đƣờng dây hoặc sét đánh xuống gần mặt đất và gây nên quá điện áp cảm ứng trên đƣờng dây, có thể gây ra phóng điện trên cách điện đƣờng dây dẫn đến ngắn mạch buộc phải cắt điện. Có thể thấy trƣờng hợp đầu nguy hiểm nhất vì đƣờng dây phải chịu toàn bộ năng lƣợng của dòng điện sét. Vì trị số của quá điện áp khí quyển rất lớn nên không thể chọn mức cách điện đƣờng dây đáp ứng hoàn toàn yêu cầu của quá điện áp khí quyển mà chỉ đƣợc chọn theo mức độ hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Do đó yêu cầu đối với bảo vệ chống sét đƣờng dây không phải là loại trừ hoàn toàn khả năng sự cố do sét đánh mà chỉ giảm số lần sự cố do sét tới một giới hạn hợp lý (xuất phát từ yêu cầu và sơ đồ cung cấp điện của phụ tải, số lần cắt dòng điện ngắn mạch cho phép của máy cắt điện, đƣờng dây có hay không có thiết bị tự động đóng lại, v.v...). Tức là phải tìm phƣơng thức bảo vệ đƣờng dây sao cho số lần cắt điện do sét đánh gây ra là thấp nhất, trên cơ sở đó xác định phƣơng hƣớng và biện pháp giảm số lần cắt điện của đƣờng dây nói chung và một số đƣờng dây cụ thể nói riêng. Trong tính toán bảo vệ chống sét hiện nay, ngƣời ta tính suất cắt đƣờng dây do sét đánh tức là số lần cắt điện đƣờng dây do sét đánh gây ra sự cố trong một năm cho chiều dài đƣờng dây L = 100 km, trên cơ sở đó ngƣời ta tính suất cắt của một số đƣờng dây điển hình đƣợc xem là hợp lý, so sánh trị số suất cắt của đƣờng dây đang thiết kế với các đƣờng dây điển hình này cho phép ta đánh giá về mức độ bảo vệ chống sét của các đƣờng dây. 1.3. GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ CHỐNG SÉT 1.3.1. Lịch sử hình thành và phát triển Bảo vệ quá áp trong hệ thống điện đã đƣợc đặt ra từ những năm cuối của 1800. Ban đầu là những hƣ hỏng của các đƣờng dây trên không do bị sét đánh, các thiết bị bảo vệ chống sét liên tục đƣợc cải thiện về thiết kế, công nghệ cũng nhƣ định mức làm việc. Sau đây là một vài mốc thời gian trong quá trình phát triển công nghệ chế tạo chống sét: